核心素養(yǎng)視域下的伏安法測定電源電動勢和內阻實驗

關健波，張菊艷

(1.昆明市第十四中學，云南 昆明 650106；2.石林彝族自治縣第一中學，云南 鹿阜 652200)

學科核心素養(yǎng)是學科育人價值的集中體現(xiàn)，是學生通過學習而逐漸形成的正確觀念、必備品格和關鍵能力. 物理學科核心素養(yǎng)主要包括4個方面[1]：物理觀念、科學思維、科學探究、社會責任與態(tài)度. 測定電源電動勢和內阻是高中物理中重要的電學實驗，對核心素養(yǎng)的養(yǎng)成具有非常重要的作用. 經過統(tǒng)計和分析[2-9],發(fā)現(xiàn)大部分的研究以誤差分析展開，忽略了實驗本身的價值和意義. 本文將從實驗的基本原理出發(fā)，從核心素養(yǎng)的角度談談在實驗教學中的一些思考.

1 從生活情景中建立物理觀念

物理觀念是從物理學視角形成的關于物質、運動與相互作用、能量等的基本認識，是物理概念和規(guī)律在頭腦中的提煉和升華，是從物理學視角解釋自然現(xiàn)象和解決實際問題的基礎[1]. 從生活情景出發(fā)能更好地讓學生融入到實驗教學中，拉近物理實驗與生活實際的距離，幫助學生建立物理觀念，奠定從物理學視角解釋自然現(xiàn)象和解決實際問題的基礎.

例如考慮為什么要測量電源電動勢和內阻，通過圖1的方案模擬生活情境，讓學生思考：為什么傍晚用電高峰燈光發(fā)暗，夜深人靜時燈光特別明亮？教師演示實驗，學生會發(fā)現(xiàn)開關閉合越多電壓表示數(shù)越小，該事例引發(fā)學生認知沖突，激發(fā)學生的好奇心和求知欲.

圖1 模擬生活情境的電路圖

通過以上生活情景的引入，學生對實驗現(xiàn)象有了基本的認識，在頭腦中初步形成結論，同時也為測量電源的電動勢和內阻實驗奠定了基礎.

2 在實驗原理的指引下培養(yǎng)科學思維

科學思維是從物理學視角對客觀事物的本質屬性、內在規(guī)律及相互關系的認識方式，是基于經驗事實建構物理模型的抽象過程，是分析綜合、推理論證等方法在科學領域的具體運用，是基于事實證據和科學推理對不同觀點和結論提出質疑和批判，進行檢驗和修正，從而提出創(chuàng)造性見解的能力與品格[1]. 在設計測量電源電動勢和內阻實驗方案時，從電壓表和電流表內阻是確定值、估計值、未知值角度，可較好地培養(yǎng)學生的科學思維.

通過圖1的方案，學生已經具備閉合開關越多電壓表示數(shù)越小的觀念，同時也知道測量電源電動勢和內阻的必要性. 根據閉合電路的歐姆定律，學生很容易理解測量的原理. 這時可以設置小組討論：根據實驗原理設計實驗方案，畫出電路圖，目的是讓學生經歷基于經驗事實建構物理模型的抽象概括過程，培養(yǎng)學生建構模型的能力.

通過小組討論，學生可能設計出多種實驗方案，例如：伏安法電流表外接(見圖2)、伏安法電流表內接(見圖3)、安阻法、伏阻法、安安法、伏伏法等.

圖2 伏安法電流表外接電路

圖3 伏安法電流表內接電路

首先從伏安法中電流表的2種接法進行探討，即選擇圖2或圖3進行實驗.

圖2方案的原理為

(1)

圖3方案的原理為

E=I(RA+r)+U.

(2)

通過(1)和(2)式可以看出：

1)已知電表的內阻情況下，由(1)式知電壓表的電阻時選擇電流表外接法(圖2)，由(2)式知電流表的內阻時選擇電流表內接法(圖3).

圖4 試觸法電路

以上的案例從物理學視角在閉合電路電流與電壓和電阻的內在規(guī)律及相互聯(lián)系的基礎上進一步的認識，通過學生小組討論，根據電流表的不同接法，抽象出2種不同的物理模型，再通過電壓表和電流表內阻的不同情況，運用分析和綜合、推理論證等方法，比較不同方案測量誤差的大小，從而培養(yǎng)學生選擇最佳方案的能力，并培養(yǎng)科學思維.

3 尋找“等效電源”，培養(yǎng)科學探究能力

科學探究是基于觀察和實驗提出物理問題、形成猜想和假設、設計實驗與制定方案、獲取和處理信息、基于證據得出結論并作出解釋，以及對科學探究過程和結果進行交流、評估、反思的能力[1]. 通過測量電源電動勢和內阻的2種不同方案進行實驗，獲取多組數(shù)據并通過公式或U-I圖像進行處理可以得出結論，再通過實驗的結果進行交流、評估、反思，找到伏安法測量電源電動勢和內阻誤差存在本質原因.

例如，根據待測電源和電表的內阻，選擇合適的方案進行實驗. 首先，考慮有多組數(shù)據且不能損壞電源，所以電路中滑動變阻器的阻值不能太大，測量時動作要迅速. 下面對2種接法進行探究.

選擇圖2方案進行實驗，記錄2組數(shù)據，得到：

(3)

(4)

由(3)和(4)式聯(lián)立得出電源電動勢和內阻.

也可以利用圖像法分析. 若考慮到電壓表電阻的影響，則電壓表的讀數(shù)與電流表讀數(shù)的關系為

(5)

U=-rI+E,

(6)

根據(6)式可以作出圖5中的A圖線，可得|k|=r，b=E.

圖5 U-I關系圖1

圖6 等效電源1

選擇圖3方案進行實驗，記錄2組數(shù)據,可以得到：

E=I1(RA+r)+U1,

(7)

E=I2(RA+r)+U2,

(8)

由(7)式和(8)式聯(lián)立，可以得出電源電動勢以及內阻.

也可以從圖像法來分析. 若考慮到電壓表電阻的影響，則電壓表的讀數(shù)與電流表讀數(shù)的關系為

U=-(r+RA)I+E.

(9)

根據(9)式可作出圖7中的D圖線，其斜率|k|=r+RA，截距b=E. 故可以將電源和電流表串聯(lián)起來視為“等效電源”，如圖8所示.

圖7 U-I關系圖2

圖8 等效電源2

若用電流表的讀數(shù)代替干路電流，則有(6)式成立，根據(6)式可以作出圖7中的C圖線，可得|k|=r，b=E.

2種方案在獲取和處理信息得出結論的基礎上，從圖像的角度分析數(shù)據，找到運用“等效電源”的方法理解實驗誤差，能較好地提升學生的科學探究能力.

4 修正實驗，培養(yǎng)科學態(tài)度與責任

科學態(tài)度與責任是指在認識科學本質，認識科學技術社會環(huán)境的基礎上，逐漸形成的探索自然的內在動力，嚴謹認真、事實求實和持之以恒的科學態(tài)度等[1]. 所以在科學探究得出結論后要引導學生思考：若用電壓表讀數(shù)代替路端電壓，用電流表讀數(shù)代替干路電流，如何改進電流測量方案才能使測量結果準確.

圖9 電流表內外接法相結合的U-I關系圖

電流補償法可以解決電流表分壓作用的影響. 圖10中的左邊虛線部分為伏法測量電源電動勢和內阻電流表內接法，該方法的誤差來源為電流表的分壓作用，若電流表中的電流為0，可以避免電流表分壓的影響. 可以采用圖10右邊虛線中電路給予補償，只要調節(jié)R1，使電流表A的讀數(shù)為0，則A點的電勢和B點的電勢相等，此時，電壓表的電壓即為路端電壓，電流表A1的電流為干路電流，即滿足：U=-Ir+E. 故可以準確測出電源電動勢和內阻.

圖10 電流補償電路

以上的2個案例，運用圖2和圖3方案得出結論，并且對實驗進行交流、評估和反思，找到2種方案的理解方法“等效電源”，最后再通過電流表內外接法和電流補償法對實驗進行修正，從而培養(yǎng)學生嚴謹認真和持之以恒的科學態(tài)度.

5 結束語

落實物理學科的核心素養(yǎng)既是時代發(fā)展的要求，也是物理教學的要求. 在物理教學中教師要把發(fā)展學生的核心素養(yǎng)作為教學目標，也就是要把核心素養(yǎng)的內容滲透到教學的各個環(huán)節(jié)中. 物理實驗教學是物理教學中重要的部分，是提升學科的核心素養(yǎng)最佳的方式，讓學生能夠發(fā)現(xiàn)問題：為什么要做該實驗；分析問題：根據原理如何設計實驗方案；解決問題：如何對實驗獲取的證據作出合理的解釋；反思問題：對于實驗方案中的不足如何進行修正，形成科學態(tài)度和社會責任. 因此物理實驗既可以形成物理觀念，也可以培養(yǎng)科學思維和科學探究能力，還可以培養(yǎng)學生的社會責任與態(tài)度，能較好地實現(xiàn)落實核心素養(yǎng)的目標.